СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K9/97 F02K1/80 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях, содержащих охлаждаемую часть сопла и неохлаждаемый сопловой насадок из композиционного материала.

Как известно, чем легче ракетный двигатель и чем больше степень расширения его сопла, тем он совершеннее и обладает большей удельной тягой. Увеличение степени расширения сопла ракетного двигателя и, следовательно, длины соплового насадка позволяет получить прирост удельной тяги ракетного двигателя. Это увеличение достигается применением композиционных материалов для изготовления сопловых насадков. В сравнении с металлическими сплавами плотность углерод-углеродного или углерод-керамического композиционного материала существенно меньше, поэтому сопловой насадок из него может быть изготовлен или большей длины, или меньшей массы.

Кроме этого, на практике один и тот же ракетный двигатель может устанавливаться в разные ракеты-носители, которые в свою очередь имеют установочные отсеки разных габаритов. Соответственно, в отсек с большими габаритами можно установить ракетный двигатель в комплектации с сопловым насадком увеличенной длины и получить при этом больший удельный импульс тяги ракетного двигателя. При этом сопловой насадок изготавливается из легкого композионного материала, а присоединение соплового насадка к охлаждаемой части сопла осуществляется с помощью закрепленного на ней силового кольца.

Возможны следующие варианты изготовления сопловых насадков и закрепления их на охлаждаемой части сопла:

- первый вариант - сопловой насадок изготавливается из легкого углерод-углеродного или углерод-керамического композиционного материала, который не сваривается с металлическим сплавом охлаждаемой части сопла ракетного двигателя. Силовое кольцо при этом конструктивно требуется, см. фиг.2;

- второй вариант - сопловой насадок изготавливается из жаропрочного многослойного композиционного материала на основе металлических сплавов, который допускает сварное соединение с металлическим сплавом охлаждаемой части сопла ракетного двигателя. Силовое кольцо при этом конструктивно не требуется, см. фиг.3;

- третий вариант - сопловой насадок изготавливается из более дешевого по отношению к предыдущему варианту жаропрочного металлического сплава, который не сваривается с металлическим сплавом охлаждаемой части сопла. Силовое кольцо при этом конструктивно не требуется, см. фиг.4.

У каждого из вышеперечисленных вариантов есть свои преимущества и свои недостатки, а именно:

Показанный на фиг.4 третий вариант имеет самые низкие стоимостные показатели соплового насадка, однако плотность металлического сплава в этом случае самая большая. Т. е., если длину соплового насадка второго варианта обозначить как L2, а длину соплового насадка, изготовленного по третьему варианту, как L3, то при одинаковой массе сопловых насадков будем иметь L2>L3. Кроме этого, если длину соплового насадка, изготовленного по первому варианту, обозначить как L1, то при одинаковой массе сопловых насадков будем иметь L1>L2>L3. При этом сопловой насадок в первом варианте имеет более низкие стоимостные показатели, чем сопловой насадок второго варианта, и более высокие, чем третьего варианта. При этом для каждого конкретного предназначения ракетного двигателя может оказаться решающим то или иное из вышеприведенных качеств соплового насадка, таким образом, что все три варианта изготовления сопловых насадков одновременно оказываются актуальными и востребованными.

Известны ракетные двигатели, содержащие в составе своего сопла сопловые насадки из углерод-углеродного композиционного материала (см. журнал «Interavia», December 1999, статья «Ariane 20 years»). Известно сопло ракетного двигателя RL-10В-2, содержащее насадок из композиционного материала, закрепленный на срезе охлаждаемой части сопла (см. материалы American Institute of Aeronautics and Astronautics), которое рассматривается в качестве прототипа.

Конструкция прототипа содержит на срезе охлаждаемого сопла силовое кольцо, к которому крепится насадок из углерод-углеродного композиционного материала. Силовое кольцо крепится к охлаждаемой части сопла с помощью сварного соединения в процессе изготовления камеры сгорания двигателя в заводских условиях.

На фиг.1 показан общий вид прототипа сопла ракетного двигателя, где:

1 - охлаждаемая часть сопла ракетного двигателя,

2 - сопловой насадок из углерод-углеродного композиционного материала,

3 - силовое кольцо,

4 - сварное соединение силового кольца с охлаждаемой частью сопла,

5 - фланцевое соединение соплового насадка из углерод-углеродного композиционного материала с силовым кольцом.

Если один и тот же двигатель используется для разных ракет-носителей в нескольких комплектациях, а именно с «коротким» металлическим сопловым насадком или с удлиненным сопловым насадком из композиционного материала, из производственно-экономических соображений встает задача иметь для этих комплектаций сопло ракетного двигателя с унифицированной охлаждаемой частью сопла минимальной массы, что не допускает конструкция прототипа, так как в случае установки на охлаждаемую часть сопла ракетного двигателя силового кольца с помощью сварки будет увеличиваться ее пассивная масса и, как следствие, снижаться эффективность ракетного двигателя в случае комплектации его сопловыми насадками, для присоединения которых силовое кольцо на охлаждаемой части сопла с конструктивной точки зрения будет лишним.

Задачей изобретения является унификация сопла ракетного двигателя для обеспечения возможности его использования в двигателях с разными габаритно-массовыми и тяговыми характеристиками, получаемыми за счет возможности оперативной смены сопловых насадков под любые требуемые варианты комплектации ракетного двигателя, включая комплектацию технологическим сопловым насадком для проведения различных испытаний.

Данная задача решается тем, что в сопле ракетного двигателя, содержащем охлаждаемую часть, силовое кольцо, сопловой насадок из композиционного материала, силовое кольцо установлено на охлаждаемой части со стороны среза сопла и соединено с охлаждаемой частью сопла через герметичный стык, выполненный в виде замкового соединения, образованного уступами с расположенной между ними прокладкой, причем силовое кольцо крепится к охлаждаемой части при помощи скоб, соединенных с кольцом болтами и взаимодействующих одним кольцом с уступом на силовом кольце, а другим - с упорной канавкой охлаждаемой части сопла.

На фиг.2, фиг.3 и фиг.4 показан общий вид заявляемого сопла ракетного двигателя в разных комплектациях и на фиг.5, фиг.6 показана конструкция соединения соплового насадка из углерод-углеродного композиционного материала с охлаждаемой частью сопла ракетного двигателя, где:

1 - охлаждаемая часть сопла ракетного двигателя,

2 - сопловой насадок из углерод-углеродного композиционного материала,

3 - силовое кольцо,

5 - фланцевое соединение соплового насадка из углерод-углеродного композиционного материала с силовым кольцом,

6 - разъемное соединение силового кольца с охлаждаемой частью сопла ракетного двигателя,

7 - скоба,

8 - болты крепления скоб между охлаждающемой частью сопла ракетного двигателя и силовым кольцом,

9 - прокладка,

10 - прокладка,

11 - выходное сечение охлаждаемой части сопла ракетного двигателя,

12 - упорная канавка охлаждаемой части сопла ракетного двигателя,

13 - ось сопла,

14 - болты крепления соплового насадка к силовому кольцу,

15 - сварное соединение охлаждаемой части сопла и соплового насадка из многослойного композиционного материала на основе металлических сплавов,

16 - сопловой насадок из многослойного композиционного материала на основе металлических сплавов,

17 - сопловой насадок из жаропрочного металлического сплава.

Конструкция заявляемого сопла следующим образом обеспечивает его сборку и функционирование:

- на охлаждаемую часть сопла ракетного двигателя 1 надевается силовое кольцо 3. При этом прокладка 9 помещается между двумя уступами 18 и 19, которые образуют так называемое "замковое" соединение (замкнутую со всех сторон полость, в которой происходит плотное обжатие прокладки 9);

- в заводских условиях отдельно изготавливается сопловой насадок из углерод-углеродного композиционного материала 2;

- на надетое на охлаждаемую часть сопла ракетного двигателя силовое кольцо 3 устанавливаются скобы 7 с заходом одним из своих концов в упорную канавку 12 охлаждаемой части сопла ракетного двигателя, а другим - в уступ 20 на силовом кольце 3, что позволяет исключить работу «на изгиб» болтов 8;

- при затягивании на величину контролируемого расчетного момента вставленных болтов 8 происходит поджатие силового кольца 3 к охлаждаемой части сопла ракетного двигателя 1, смятие в "замковом" соединении прокладки 9 и образование, таким образом, герметичного стыка между силовым кольцом и охлаждаемой частью сопла ракетного двигателя;

- при необходимости снятия силового кольца с охлаждаемой части сопла ракетного двигателя все вышеуказанные операции производятся в обратном порядке;

- далее на закрепленное на охлаждаемой части сопла ракетного двигателя силовое кольцо 3 надевается сопловой насадок 2 через прокладку 10, которая перед этим вставляется в предназначенную для нее проточку 21, имеющуюся на сопловом насадке 2;

- болты 14 вставляются в отверстия в сопловом насадке 2 и совпадающие с ними по угловому расположению отверстия в силовом кольце 3. Отверстия под болты 14 расположены в промежутках между отверстиями под болты 8. Болты 14 затягиваются на контролируемый расчетный момент, обеспечивающий плотное фланцевое соединение соплового насадка из углерод-углеродного композиционного материала 2 с силовым кольцом 3;

- при необходимости снятия соплового насадка все операции производятся в обратном порядке.

В процессе работы двигателя неразрывность стыков между силовым кольцом 3, охлаждаемой частью сопла ракетного двигателя 1 и сопловым насадком 2, а также их герметичность в условиях термоциклических нагрузок обеспечиваются упруго сдеформированными в "замковых" соединениях прокладками 9 и 10 из термостойких материалов. Скобы 7, болты 8 и 14 являются элементами крепления соплового насадка 2 к охлаждаемой части сопла ракетного двигателя 1 и силовому кольцу 3.

Существенным моментом конструктивного решения заявляемого сопла является местоположение силового кольца 3, элементов его крепления к охлаждаемой части сопла ракетного двигателя 1 и сопловому насадку 2 со стороны охлаждаемой части сопла ракетного двигателя по отношению к ее выходному сечению 11. Такое расположение позволяет экранировать их от тепловых потоков продуктов сгорания ракетного двигателя и обеспечить им допустимый тепловой режим и, как следствие, значительный ресурс работы.

Данные операции сборки-разборки могут быть произведены как с отдельно стоящим ракетным двигателем, так и с двигателем, установленным в блок ракеты-носителя.

Использование предлагаемой конструкции сопла ракетного двигателя дает возможность решения различных функциональных задач на одном и том же двигателе за счет оперативной смены сопловых насадков (например, проводить испытания двигателя без соплового насадка или с его имитатором, после чего технологически просто устанавливать штатный сопловой насадок). Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет использовать задел двигателей, изготовленных без учета использования сопловых насадков из композиционного материала, без дополнительной разборки двигателей и их доработки.

Работоспособность конструкции двигателя с насадком из композиционного материала, его надежность и эксплуатационно-технические характеристики подтверждены полным циклом автономной и огневой стендовой отработки с положительными результатами.

Сопло ракетного двигателя содержит охлаждаемую часть, силовое кольцо и сопловой насадок из композиционного материала. Силовое кольцо установлено на охлаждаемой части со стороны среза сопла и соединено с охлаждаемой частью сопла через герметичный стык, выполненный в виде замкового соединения, образованного уступами с расположенной между ними прокладкой. Силовое кольцо крепится к охлаждаемой части при помощи скоб, соединенных с кольцом болтами и взаимодействующих одним концом с уступом на силовом кольце, а другим - с упорной канавкой охлаждаемой части сопла. Изобретение позволит использовать сопло в двигателях с различными габаритно-массовыми и тяговыми характеристиками. 6 ил.

Сопло ракетного двигателя, содержащее охлаждаемую часть, силовое кольцо, сопловой насадок из композиционного материала, отличающееся тем, что силовое кольцо установлено на охлаждаемой части со стороны среза сопла и соединено с охлаждаемой частью сопла через герметичный стык, выполненный в виде замкового соединения, образованного уступами с расположенной между ними прокладкой, причем силовое кольцо крепится к охлаждаемой части при помощи скоб, соединенных с кольцом болтами и взаимодействующих одним концом с уступом на силовом кольце, а другим - с упорной канавкой охлаждаемой части сопла.